Д.т.н., проф. Пількевич І. А., маг. Горбова О. А.
Житомирський національний агроекологічний університет,
Україна
ЕФЕКТИВНІСТЬ СИСТЕМИ ВОДОПІДГОТОВКИ
НА КП «ЖИТОМИРВОДОКАНАЛ»
Постановка задачі. Підвищення рівня техногенності
суспільства зумовило наростання ступеня забрудненості навколишнього середовища,
зокрема, поверхневих водних джерел, здатність яких до самоочищення на даний час
практично вичерпана. Зарегульованість стоку річок, що використовуються для
господарсько-питного водопостачання, вплинула на якісний склад води. З одного
боку, зменшилась каламутність води, а з іншого, виникає її „цвітіння”, а також
відбувається інтенсивний розвиток, відмирання та гниття водоростей в
водосховищах та штучних водоймах з утворенням токсичного мулу [1]. Ці фактори є
причиною значного зниження ефективності традиційних очисних споруд, більшість з
яких запроектована і побудована з використанням практично одного типового
проекту.
Наразі майже
повсюдно на водопровідних спорудах України, що базуються на підготовці до
використання в якості питної води з поверхневих водних джерел, застосовується
фізико-хімічна технологія очистки води, яка призначена для видалення з неї
завислих колоїдних домішок природного походження, а також знезараження. Вона
розрахована на використання води з джерел, які відносяться до першого класу
якості. Однак в даний час у поверхневих водоймах України води такої якості
немає [2]. Одним із шляхів захисту та відновлення природних екосистем і, як
наслідок, збереження здоров’я людей, є створення сучасних ефективних та
економічних комплексів очищення природних вод. Вирішення поставленої задачі
вимагає постійного вдосконалення методів водообробки, використання ефективних
технологічних процесів, матеріалів, реагентів, споруд і устаткування.
Сучасний
екологічний стан поверхневих водних джерел у більшості випадків вимагає застосування
комплексних систем водопідготовки. У цьому сенсі основним і обов’язковим етапом
водопідготовки є коагуляційна ( а також і флокуляційна) її обробка [3].
Введення коагулянтів у воду і подальша її обробка на спеціальних спорудах
дозволяють видалити основну масу забруднень: мінеральні речовини, органічні
сполуки (включаючи і кольоровість води), а також частину біологічних
інгредієнтів, а саме фітопланктон, патогенні і непатогенні мікроорганізми тощо.
Крім того, важливим напрямом використання коагулянтів і флокулянтів у системах
питного водопостачання є обробка ними промивних вод (для їх повторного
застосування) і осадів (для їх утилізації), що утворюються на водоочисних
станціях [4].
Наявність
широкого асортименту коагулянтів і флокулянтів, можливість їх вибору відкриває
великі перспективи для інтенсифікації існуючих і розробки нових технологій
водоочищення. Найперспективнішим напрямом є пошук реагентів, ефективність яких
мінімально залежатиме від сезону. Це забезпечить якісний процес коагуляції води
у різні пори року, зробить його менш залежним від температури води, що
обробляється. Такі коагулянти дозволять скоротити (а у перспективі і взагалі
відмовитися) від використання реагентів, що змінюють значення водневого
показника води. З появою нових реагентів стане можливим розширення діапазону
дії коагулянтів на більше число забруднювачів. Важливим напрямом у покращенні
водопідготовки є зменшення забруднення води побічними домішками, що входять до складу
коагулянтів і флокулянтів, а також скорочення об’ємів осаду, що утворюється в
процесі обробки води. Всі ці переваги нових реагентів дозволять підвищити
технологічність, екологічність і економічність процесів коагуляційної обробки
води.
Метою
роботи була оцінка екологічної ефективності процесу водо-підготовки на КП
„Житомирводоканал” та розробка заходів по його оптимізації для поліпшення
якості очищення питної води.
Об’єктом
досліджень є оцінка ефективності процесів водопідготовки та пошук шляхів її покращення.
Предметом
досліджень є технології водопідготовки, фізико-хімічні, органолептичні та хімічні
показники якості питної води.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в
тому, що вперше розроблено нову схему коагуляційного очищення питної води в
умовах КП „Житомирводоканал”, яка полягає в сумісному застосуванні
знижених на 30-45 % доз неорганічного коагулянту „Полвак-40” (ПЛ-40) та
органічного коагулянту FL-45С в концентрації 1,9-3,0 % від дози неорганічного
коагулянту.
Практичне
значення одержаних
результатів полягає в тому, що вони можуть бути впроваджені на
КП „Житомирводоканал” при проведенні очищення питної води для покращення
якості водопідготовки, що дасть змогу заощаджувати від 277,20 до 583,23 тис. грн.
на рік на придбанні реагентів.
Поліпшення якості очищення питної води на КП „Житомир-водоканал”.
Житомир
має у своєму розпорядженні досить розвинений централізований водопровід
господарсько-питного призначення, що базується на різних джерелах і
розташовується на території міста декількома водозаборами. В розпорядженні
КП „Житомирводоканал” знаходяться три водосховища: „Дениши”, „Відсічне” та
„Житомирське”.
Сьогодні
жорстка технологія водопідготовки на КП „Житомирводоканал” із
використанням високоефективного коагулянту серії „Полвак” у дозах до
78 мг/л та хлору до 12 мг/л проти 20-30 мг/л коагулянту та
5-6 мг/л хлору в такий же період 2000-2002 роках, ще забезпечує
якість питної води на рівні вимог ДСТУ 4808:2007. Проте кількість і якість
води у водосховищах така, що вимагає прийняття невідкладних заходів по очищенню
водозабору „Відсічне” та пошуку додаткових джерел питного водопостачання. Стан
водозабезпечення міста Житомира вкрай критичний, оскільки наявні кількість і
якість води у водосховищах вимагають негайного пошуку нових реагентів та методів
очищення води для забезпечення населення якісною питною водою.
Екологічний
стан якості води в р. Тетереві залишає бажати кращого й негативно
позначається на якості води, яка після доочищення потрапляє в міську водогінну
мережу. В останні 8 років відбувається прогресуюче погіршення якості води
– зростання рівня фітопланктону та зоопланктону в 2-4 рази; збільшення
забарвленості до 70-80о та зростання каламутності. Мають місце
значне зменшення запасів води, які досягли критичного рівня, і надзвичайно високе
замулення всього водозабору. Тривала спека в літній період в останні роки
призвела до зниження вмісту у воді розчинного кисню в 2-3 рази, підвищення
концентрації вуглекислоти та накопичення марганцю у придонній частині
водосховища „Відсічне”, який при вище вказаних умовах переходить у розчинний
стан і досягає рівня від 2,5 до 4,0 мг/л при нормі 0,05 мг/л [1, 2].
З метою
покращення системи водопідготовки в умовах КП „Житомирводоканал” була
проведена оцінка ефективності застосування низькоосновного коагулянту ПЛ-40 як
альтернативи традиційним неорганічним коагулянтам.
Коагулянти
серії „Полвак” (розчини гідроксихлоридів алюмінію різного ступеня основності)
виробляються в Україні у Запорізькій області в м. Пологи на Пологівському
хімічному заводі „Коагулянт”. Основними перевагами коагулянтів серії „Полвак”
перед неорганічними коагулянтами є [3]:
– прискорення
пластівцеутворення в 1,5-3 рази, що дозволяє знизити навантаження на
фільтри або підвищити продуктивність очисних споруд;
– підтримання
концентрації залишкового алюмінію в очищеній воді в межах 0,5 мг/л, що
відповідає вимогам ГОСТу;
– збереження
ефективної коагуляції при низьких температурах;
– розширення
робочого діапазону по рН і лужному резерву та збереження цих показників на
практичному рівні;
– спрощення
роботи через відсутність оптимальної дози коагулянту;
– досягнення
нормативних показників по каламутності та забарвленості при менших дозах
коагулянту;
– висока
міцність пластівців, що збільшує ефективність фільтрації та чіткість меж
освітленої зони при відстоюванні;
– в
5-10 разів менша токсичність, ніж у сульфату алюмінію.
Коагулянти
серії „Полвак” зберігаються і транспортуються в ємностях з кислотостійких
матеріалів. Їх морозостійкість – -19
10оС.
При
використанні сірчанокислого алюмінію з додаванням флокулянту
LT-27 величина
досліджуваних показників в середньому знижувалась на: каламутності –
38,3 %; забарвленості – 21,7 %; залишкового алюмінію – 40 %.
Застосування коагулянту ПЛ-40 спричиняло зниження величини показників, що аналізуються,
в середньому на: каламутності – 72,8 %; забарвленості – 67,4 %;
залишкового алюмінію – 78 %.
Впровадження
коагулянту ПЛ-40 спрощує і робить більш економічною роботу реагентного
господарства КП „Житомирводоканал” за рахунок: 1) спрощення операцій на
розвантаження; 2) виключення стадії розчинення коагулянту, оскільки
препаративною формою ПЛ-40 є рідина.
З метою
оцінки ефективності дії неорганічного коагулянту ПЛ-40 у паводковий період
проводилася серія лабораторних дослідів, метою яких було встановити оптимальні
дози коагулянту у паводковий період. Для цього використовувався метод пробного
коагулювання з дозами реагенту 20, 30, 40 і 45 мг/л. Після відстоювання
проб впродовж 30 хв., аналізувався освітлений шар води (табл. 1).
Таблиця
1
Ефективність
застосування різних доз коагулянту ПЛ-40
для водопідготовки у паводковий період
|
Регент |
Доза, мг/л |
T, оС |
Каламутність, мг/л |
Забарвленість, мг/л |
рН |
Залишк. Al, мг/л |
|
Параметри вихідної води |
2,6 |
7,0 |
24 |
7,96 |
<0,04 |
|
|
Полвак |
20 |
|
1,5 |
10 |
7,94 |
0,1 |
|
Полвак |
30 |
|
1,2 |
10 |
7,95 |
0,096 |
|
Полвак |
40 |
|
1,2 |
8 |
7,96 |
0,08 |
|
Полвак |
45 |
|
1,15 |
8 |
7,96 |
0,05 |
На підставі проведених досліджень можна стверджувати, що коагулянт
гідроксихлорид алюмінію – „Полвак-40” (ПЛ-40), є ефективним реагентом при
доочищенні питної води. Застосування цього коагулянту (при оптимальній дозі)
дозволяє поліпшити показники якості питної води на 50-80 % не залежно від
пори року та рівня її забруднення.
Найбільш
прогресивні технології водопідготовки передбачають використання органічних, а
не неорганічних коагулянтів у процесі очищення води. Полімерні органічні
коагулянти, що мають наступні переваги в порівнянні з неорганічними
коагулянтами [3]: забезпечують такий же само або кращий результат при значно
менших (до 10 разів) дозах; працюють в широкому діапазоні рН і лужності;
не змінюють рН очищеної води; не бояться хлорування; не додають в очищену воду
розчинених металів (алюмінію і феруму); збільшують строк служби фільтрів прямої
фільтрації; видаляють одноклітинні водорості; мінімізують об’єм осаду, що утворився;
утворюють осад, який легше зневоднюється; скорочують витрати на обробку і
видалення осаду; більш зручні в приготуванні та використанні. Наразі за
кордоном широко застосовуються органічні катіонні коагулянти – четвертинні
поліаміни (виробляються шляхом реакції конденсації первинних чи вторинних
амінів на епіхлогідрині) та коагулянти PolyDadmac (діалілдиметиламоній
хлорид), синтезовані із алліхлориду і диметиламіну. Були проведені дослідження
по оцінці сумісного застосування неорганічного коагулянту ПЛ-40 і органічного
коагулянту FL-45С.
Застосовувались наступні дози реагентів: ПЛ-40 – 30; 35; 40; 45; 50; 55;
60 мг/л; FL-45С
– до кожної дози коагулянту ПЛ-40 додавалися 1,0; 1,5; 1,7; 1,9; 2,0; 2,1; 2,3;
2,5; 3,0 % від дози неорганічного коагулянту
FL-45С. Доза ПЛ-40
визначалась за фізичною масою, а доза FL-45С – за діючою речовиною. Випробування проводились при
технологічному режимі, який імітує двоступінчату схему очищення води до
фільтрації: перемішування протягом 0,5 хв. (140 об/хв.); додавання
коагулянту ПК-40; перемішування протягом 1,5 хв. (140 об/хв.);
додавання органічного флокулянту (наприкінці перемішування); перемішування
протягом 10 хв. (40 об/хв.); відстоювання протягом 30 хв.
Для
досліджень відбирали проби води з водоводу сирої води з такими фізико-хімічними
параметрами (табл. 2). Зразки води наливали у дволітрові склянки та додавали
реагенти у відповідних концентраціях.
Таблиця
2
Якість
води, що очищувалася, при пробному коагулюванні
|
Назва показника |
Дата проведення пробного коагулювання |
|
|
17.12.2013 р. |
18.12.2013 р. |
|
|
Температура, оС |
1,1 |
1,2 |
|
Каламутність, мг/л |
4,5 |
4,3 |
|
Забарвленість, град |
18,0 |
18,0 |
|
Лужність, м-екв/л |
2,6 |
2,6 |
|
рН |
7,61 |
7,64 |
|
Окислюваність, мгО2/л |
8,56 |
8,56 |
Органічний коагулянт FL-45С при сумісному застосуванні з неорганічним
коагулянтом гідроксихлоридом алюмінію ПЛ-40 при лабораторних випробуваннях
проявив високу ефективність для підготовки питної води в умовах
КП „Житомирводоканал” (табл. 3).
Таблиця
3
Ефективність
застосування різних доз неорганічного коагулянту ПЛ-40
та органічного коагулянту FL-45С для очищення води
|
Дози реагентів |
Показники якості обробленої води |
||||
|
ПЛ-40, мг/л |
FL-45С, мг/л |
Каламутність, мг/л |
Забарвленість, град |
Залишк. Al, мг/л |
Окислюваність, мгО2/л |
|
30 |
0,75 |
2,15 |
12 |
0,33 |
6,56 |
|
0,90 |
1,3 |
8 |
0,24 |
5,28 |
|
|
35 |
0,75 |
1,3 |
8 |
0,28 |
4,86 |
|
0,90 |
1,3 |
8 |
0,22 |
4,48 |
|
|
40 |
– |
1,4 |
8 |
0,28 |
4,98 |
|
0,75 |
1,05 |
6 |
0,24 |
4,96 |
|
|
0,90 |
1,3 |
6 |
0,22 |
4,32 |
|
|
45 |
– |
1,35 |
8 |
0,28 |
4,96 |
|
0,75 |
1,05 |
6 |
0,2 |
4,6 |
|
|
0,90 |
1,1 |
6 |
0,18 |
4,8 |
|
|
50 |
– |
1,15 |
7 |
0,26 |
4,82 |
|
0,75 |
1,05 |
6 |
0,12 |
5,2 |
|
|
55 |
– |
1,2 |
6 |
0,27 |
4,82 |
|
0,83 |
1,05 |
6 |
0,12 |
4,96 |
|
|
60 |
– |
0,9 |
6 |
0,2 |
5,0 |
|
0,60 |
1,0 |
4 |
0,16 |
5,12 |
|
|
0,90 |
0,65 |
4 |
0,1 |
4,8 |
|
|
1,20 |
0,4 |
4 |
0,06 |
4,44 |
|
Оптимальне співвідношення доз гідроксихлориду алюмінію ПЛ-40 і реагенту FL-45С, визначене за
результатами лабораторних випробувань, складає 1,9-3,0 % до дози
гідроксихлориду. При цьому доза гідроксихлориду може бути понижена на
50 %. Сумісне застосування неорганічного і органічного коагулянтів при
оптимальному співвідношенні доз гідроксихлориду і реагенту FL-45С, порівняно з тією ж
дозою гідроксихлориду алюмінію без реагенту, дозволяє поліпшити показники
якості питної води: зниження каламутності на 70-76 %; зниження
забарвленості на 56-67 %; зниження окислюваності на 38-43 %; зниження
рівня залишкового алюмінію до 79 %.
Для виконання
розрахунків економічної ефективності були використані наступні вихідні дані:
1. Середньорічний
обсяг споживання коагулянту ПЛ-40 – 800 т.
2. Ціна
коагулянту ПЛ-40 з транспортними витратами (з ПДВ) – 2772 грн/т.
3. Ціна
реагенту FL-45С
– 69,17 грн/л.
Як свідчать
проведені розрахунки, сумісне застосування неорганічного і органічного
коагулянтів дає змогу зекономити 583,23 тис. грн. на рік за умови
застосування реагенту FL-45С в концентрації 1,9 % від дози ПЛ-40 та
277,20 тис. грн. на рік за умови застосування реагенту FL-45С в концентрації
3,0 % від дози ПЛ-40 з одночасним зменшенням дози ПЛ-40 на 30-45 %.
Висновки та практичні рекомендації. В ході проведення
досліджень по оцінці екологічної ефективності систем водопідготовки на
КП „Житомир-водоканал” та розробці заходів по поліпшенню якості очищення
питної води на даному підприємстві встановлено наступне:
1. Погіршення
якості води в р. Тетерів в останні 5 років (зростання рівня
фітопланктону та зоопланктону в 2-4 рази; збільшення колірності до 70-800 та
зростання каламутності, а також значне зменшення запасів води, які досягли
критичного рівня, й надзвичайно високе замулення водозабору) призвело до того,
що на КП „Житомирводоканал” стали застосовувати жорстку технологію
водопідготовки, яка передбачає збільшення дози неорганічного коагулянту в
3-3,5 рази, а дози хлору – в 2 рази порівняно з технологією, що
існувала до 2008 року.
2. Жорстка
технологія водопідготовки з використанням високоефективного коагулянту „Повлак”
в дозах до 78 % та хлору до 12 мг/л ще забезпечує якість води згідно
вимог ГОСТ 2874-82 „Вода питна”, проте, в період проектування водопровідних
споруд міста Житомира якість води в р. Тетерів відповідала за всіма
показниками вимогам першого класу якості поверхневих джерел водопостачання, а в
теперішній час по ряду інгредієнтів такої відповідності вже не існує і загалом
вода відповідає вимогам третього класу якості.
3. Порівняльна
оцінка якості води в системі „водосховище – резервуари чистої води – водогінна
мережа” свідчить про те, що в теплий період року каламутність та колірність
води в усій системі зростають, а вміст залишкового хлору у резервуарах чистої
води менший порівняно з таким у холодний період через леткість хлору, який
здатний випаровуватись при нагріванні води.
4. Вміст
у воді залишкового алюмінію в теплий і холодний період року залишається
незмінним, проте зростає в напрямку від водосховища до водогінної мережі,
причиною чого є недосконалість системи коагуляційного очищення води за
допомогою неорганічних коагулянтів.
5. Аналіз
якості води в системі „водосховище – резервуари чистої води – водогінна мережа”
свідчить про те, що має місце парадоксальна ситуація: проводиться водозабір і
очищення води, в результаті чого знижується її каламутність і забарвленість,
натомість маємо забруднення води залишковим хлором та алюмінієм.
6. Органічний
коагулянт виробництва компанії SNF Floerger FL-45С при спільному застосуванні з неорганічним
коагулянтом гідроксихлориду алюмінію „Полвак-40ˮ (ПЛ-40) виявляє високу
ефективність при підготовці питної води в умовах КП „Житомирводоканал”. Оптимальне
співвідношення доз гідроксихлориду алюмінію ПЛ-40 та реагенту FL-45С складає
1,9-3,0 % органічного коагулянту до дози неорганічного коагулянту. При
цьому доза гідроксихлориду може бути знижена на 30-45 % і більше.
7. Застосування
реагенту FL-45С
разом з неорганічним коагулянтом ПЛ-40, при оптимальному співвідношенні доз
гідроксихлориду алюмінію без реагентів дозволяє поліпшити показники якості води
і досягти зниження: каламутності – на 70-76 %; забарвленості – на
56-67 %; окислюваності – на 38-43 %; рівня залишкового алюмінію – до
79 %.
8. Для
поліпшення якості водопідготовки на КП „Житомирводоканал” пропонується при
коагуляційному очищенні питної води впровадити сумісне застосування
неорганічного коагулянту ПЛ-40 сумісно з органічним коагулянтом FL-45С в наступних дозах: 1) 35 мг/л
ПЛ-40 + 0,90 мг/л FL-45С; 2) 45 мг/л ПЛ-40 + 0,75 мг/л FL-45С.
Література:
1. Пількевич, І. А. Математичне
моделювання сезонних змін розвитку фітопланктону у водозаборі „Відсічне” річки
Тетерів [Текст] / І. А. Пількевич, Е. О. Аристархова // Східно-Європейський журнал передових
технологій. – 2013. – №3/4 (63). – С. 36-39.
2. Пилькевич, И. А. Влияние
температуры на динамику развития фитопланктона в водных экосистемах [Текст] / И. А. Пилькевич, Э. А. Аристархова
: материалы VII Международной научной конференции [„Биоразнообразие и роль
животных в экосистемах”], (Днепропетровск, 22-25 октября
2013 г.) / М-во образования и науки Украины. – Днепропетровск : Вид-во ДНУ им. Олеся
Гончара. – С. 24-27.
3. Запольский, А. К. Очистка воды
коагулированием : монография [Текст] / А. К. Запольский. –
Каменец-Подольский : ЧП „Медоборы-2006”, 2011. – 296 с.
4. Пількевич, І. А. Визначення якості
стічних вод КП „Житомир-водоканал” за допомогою рослинних тест-організмів
[Текст] / І. А. Пількевич, Е. О. Аристархова : materiały X Мiędzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji [„Dynamika naukowych badań”], (07-15 lipca 2014 roku). – Przemyśl, Polska: Nauka i studia. – Vol. 7. Medycyna. Nauk biologicznych. Chemia i chemiczne technologie. Ekologia. Geografia i geologia. Rolnictwo. Weterynaria. – S. 76-80.